深水導管架的焊接質量控制

孫志廣

（海洋石油工程股份有限公司，天津300452）

深水導管架的焊接質量控制

孫志廣

（海洋石油工程股份有限公司，天津300452）

全世界海洋石油工業高速發展，作為海洋石油工程結構物的深水導管架相較于陸地鋼結構，具有服役環境更加惡劣、鋼材強度更高、結構形式更為復雜的特點，對焊接質量的要求也更為嚴苛。以東海某導管架為建造實例，深入探討深水導管架的焊接質量控制。

深水；導管架；焊接質量；焊接工藝；焊接習慣

0　前言

深水導管架海洋平臺作為海洋油氣資源開發的重要基礎設施之一，是海上油氣鉆采作業的支撐結構物，焊接是其最主要的建造方式。相較于陸地鋼結構，其服役環境更加惡劣，鋼材強度更高，結構形式更為復雜，所以其對焊接質量的要求更為嚴格。

1　實例

將以東海某導管架為建造實例，探討深水導管架的焊接質量控制。

1.1導管架基本資料

該導管架為4腿12裙樁結構，如圖1所示，重6450MT。導管架附近水深97.3m，工作點尺寸18.4 m× 16.4 m，底盤尺寸43.4 m×43.4 m，共5個水平層。設計壽命25年。

圖1　某導管架結構模型Fig.1Structure model of some jacket

1.2導管架用鋼特點

導管架用鋼主要為低碳鋼和低合金鋼。主結構鋼材為船用結構鋼D36，對于大厚度管相交的T、K、Y管節點，由于在厚度方向上拘束度大，并承受局部應力集中，容易在臨近焊縫的母材上產生層狀撕裂，因此該部分使用的鋼材為厚度方向斷面收縮率大的D36-Z35（Z35代表斷面收縮率大于35％），此位置的焊接也是導管架建造焊接控制中的重點。主結構使用的鋼材必須滿足下屈服點要求，大于等于355 MPa，最大厚度100 mm。次要結構選用的材料是屈服強度較低的鋼材如Q235B等。

2　焊接工藝設計

由于服役條件較為惡劣，海洋石油工程結構對焊縫的綜合機械性能要求很高，其焊接工藝的設計要滿足業主規格書及一些國際通用標準規范、船舶入級規范等要求。常用的有美國焊接協會AWS D1.1和挪威船級社的DNV-OS-C401等。AWS D1.1的內容包括焊接方法、焊接工藝、焊接材料的選擇、焊接工藝評定、焊工資格評定以及現場焊接施工管理和焊接檢驗等[1]，而DNV-OS-C401規定了用斷裂力學試驗-CTOD斷裂韌性試驗評估焊縫和熱影響區包括強度、韌性、塑性及抗裂紋敏感系數等綜合機械性能[2]。同時，結合導管架使用鋼材的可焊性，選擇合理的焊接方法、焊接材料、焊接工藝，并通過焊接工藝評定試驗選擇優化的焊接工藝參數從而獲得滿足要求的焊接接頭。

示例導管架建造中焊接工藝設計的焊接方法主要有焊條電弧焊（SMAW）、CO2氣體保護焊（FCAW）、埋弧焊（SAW）、氬弧焊（GTAW）。鑒于導管架建造中涉及的鋼材厚度、材質、甚至廠家不同，再加上對焊接效率、焊接操作難易程度等因素的考慮，實際設計的焊接工藝眾多，且多為各種焊接方法的組合。以下僅列舉個別示例說明該導管架建造中焊接工藝的設計。

（1）單絲、雙絲埋弧焊（SAW）。主要用于導管架鋼管預制及接長焊接，在建造中結合母材實際厚度采用與焊條電弧焊（SMAW）或者CO2氣體保護焊（FCAW）組合的方式進行使用。

a.限定管徑406 mm及以上，厚度12.7～40 mm。

SMAW+FCAW+SAW，用于縱環縫單面坡口的焊接，使用SMAW進行打底焊接，熱焊道采用FCAW焊接，填充及蓋面使用單絲埋弧焊焊接。如有必要背焊，使用FCAW焊接。使用的焊材組合為LB-52U（SMAW）、GFL-71Ni（FCAW）、CHW-S3/SJ101（SAW）。主要焊接工藝參數如表1所示。預熱溫度及層間溫度設計范圍：12.7 mm≤母材厚度（T）≤38 mm，最低預熱溫度40℃，最大層間溫度250℃；38 mm＜母材厚度（T）≤40 mm，最低預熱溫度65℃，最大層間溫度250℃。

表1　單絲埋弧焊焊接工藝參數（單面坡口）Tab.1Welding parameters of single-wire SAW(single groove)

b.限定管徑610 mm及以上，厚度16～50 mm。

FCAW+SAW，用于縱環縫雙面坡口的焊接，使用FCAW進行打底焊接，清根后內口使用單絲埋弧焊焊接，外口使用雙絲埋弧焊焊接。使用的焊材組合為GFL-71Ni（FCAW）、CHW-S3/SJ101（SAW）。主要焊接工藝參數如表2所示。預熱溫度及層間溫度設計范圍：16 mm≤母材厚度（T）≤38 mm，最低預熱溫度40℃，最大層間溫度250℃；38 mm＜母材厚度（T）≤50mm，最低預熱溫度65℃，最大層間溫度250℃。

（2）焊條電弧焊（SMAW）或者焊條電弧焊+CO2氣體保護焊（SMAW+FCAW），主要用于導管架T、 K、Y管節點的全位置焊接及返修。導管架的T、K、Y節點焊接如圖2所示。

a.限定管徑355 mm及以上，厚度12.7～50 mm。

SMAW，根焊、填充及蓋面均使用SMAW進行焊接，使用的焊材組合為LB-52U/CHE58-1，主要焊接工藝參數如表3所示。預熱溫度及層間溫度設計范圍：12.7 mm≤母材厚度（T）≤38 mm，最低預熱溫度40℃，最大層間溫度220℃；38 mm＜母材厚度（T）≤50mm，最低預熱溫度65℃，最大層間溫度220℃。

b.限定管徑168 mm及以上，厚度8～50 mm。

表2　雙絲埋弧焊焊接工藝參數（雙面坡口）Tab.2Welding parameters of double-wire SAW（double groove)

圖2　某導管架TKY節點的焊接Fig.2The TKY connections welding in some jacket

表3　焊條電弧焊焊接工藝參數（TKY）Tab.3Welding parameters of SMAW(TKY)

SMAW+FCAW，使用SMAW打底焊接，FCAW進行填充及蓋面焊接，使用的焊材組合為LB-52U/ GFL-71Ni。主要焊接工藝參數如表4所示。預熱溫度及層間溫度設計范圍：8mm≤母材厚度（T）≤38 mm，最低預熱溫度40℃，最大層間溫度250℃；38 mm＜母材厚度（T）≤50 mm，最低預熱溫度65℃，最大層間溫度250℃。

表4　焊條電弧焊+二氧化碳氣體保護焊焊接工藝參數（TKY）Tab.4Welding parameters of SMAW+FCAW(TKY)

（3）氬弧焊（GTAW）主要用于導管架caisson管、灌漿管線、注水管線、放空管線和立管的焊接及其返修。

限定管徑25 mm及以上，厚度1.5～11 mm，使用的焊材為JG-50。主要焊接工藝參數如表5所示。焊接過程中最低預熱溫度36℃，最大層間溫度117℃。

表5　氬弧焊焊接工藝參數Tab.5Welding parameters of GTAW

3　焊接質量控制要點

導管架建造項目可能在不同地區或不同建造場地進行施工作業，氣候環境、施工作業環境以及工作習慣或者工作方法都不盡相同。焊接質量控制需要根據施工現場的實際情況有所側重。示例導管架的建造場地處于潮濕、多雨的南方某城市，且施工中分包商較多，施工作業人員水平良莠不齊，給焊接質量的控制帶來很大困難。

3.1焊前準備

（1）組織好施工技術交底工作，讓施工人員充分熟悉焊接工藝規程及相關要求。同時，施工前的班前會對施工工藝重新強調，使每名焊接操作者熟悉掌握，以便施工中嚴格執行，保證焊接質量。

（2）因空氣潮濕且多雨，室外工作時必須做好焊接環境的準備工作。如搭建防風防雨簡易工棚。

（3）結構組對工作中除確認組裝尺寸外，必須做好焊接坡口的清理除銹工作，在徹底清理經專職檢驗人員確認后，方可涂防銹漆。

（4）必須做好焊材的保管防護工作。導管架施工使用的焊材為低氫焊材時，必須嚴格按照標準及相關焊材控制程序烘干焊材。

3.2焊接工藝

焊接過程中專業檢驗人員必須嚴格控制施工中的焊接工藝，確保完全符合焊接工藝規程要求，一些重要焊接節點（如鋼樁現場接長口、TKY節點等）必須保證施工焊接記錄的完整，內容需包括焊接時間、焊口編號、焊工編號、焊接工藝規程編號、預熱溫度、層間溫度、焊接電流、焊接電壓等參數。同時，重點從以下幾方面對焊接質量加以控制。

（1）正確使用焊材。

檢查焊材牌號，確認與焊接使用的焊接工藝規程一致。檢查焊材質量，確認其滿足使用要求，低氫焊條、埋弧焊焊劑已進行烘干處理，并保持要求溫度。

（2）預熱及層間溫度。

在焊接工作開始前（包括點焊）和任何焊接中斷后都必須預熱焊縫，可使用氣體火焰烤把或電加熱方法，需注意切割或者氣刨火焰不能用于預熱。預熱能夠去除焊縫中的擴散氫，降低焊縫的冷卻速度，從而有效防止冷裂紋。但合理控制預熱溫度也是非常重要的，預熱溫度過高，一方面會惡化施工條件，另一方面在局部預熱的條件下因產生附加應力，反而會促使產生冷裂紋[3]。所以，預熱溫度不是越高越好，應嚴格按照焊接工藝規程要求進行預熱。焊接工藝規程中設計預熱溫度的依據是AWS D1.1中根據母材的強度、厚度、拘束度以及焊接材料的擴散氫含量對常用鋼材預熱溫度的推薦[4]。

焊接過程中層間溫度的控制也是影響焊接質量的重要因素，如果過高會引起熱影響區晶粒粗大，焊縫力學性能下降，過低則可能引起裂紋。所以必須在每一焊道引弧施焊前加以核對。

在示例導管架建造中，要求施焊焊工必須隨身攜帶測溫蠟筆或者測溫槍，以便實時監控預熱溫度和層間溫度。

（3）焊接熱輸入。

焊接熱輸入即施焊時，熱源功率與焊接速度之比，也就是焊接熱源輸入給單位長度焊縫上的能量。當確定焊接方法和焊材后，它是焊接接頭成形、組織和性能的主要影響因素。焊接熱輸入過大，會引起近縫區晶粒粗大，降低焊縫力學性能；過小又會使焊縫成形困難，也會影響熱影響區淬硬，不利于氫的溢出[3]。因此，在焊接過程中必須嚴格執行焊接工藝規程中焊接電流、電壓等工藝參數要求，確保使用合理的焊接熱輸入。

在示例導管架建造中，由于施工分包商較多，受教育程度和施工水平參差不齊，對焊接熱輸入的控制難度很大。可能受制于施工進度壓力，個別施工單位在經過技術交底以及班前會強調后依然無法對焊接熱輸入的控制引起重視。針對此情況，由質量控制專業人員組成監控小組，在日常巡檢的基礎上不定期抽查焊接過程中的焊接電流、焊接電壓等參數，對未正確操作的施工單位予以經濟懲罰，強令違規個人停止繼續在項目中施工作業。監控小組抽查焊接現場如圖3所示。

3.3焊接習慣

焊接習慣雖然不是影響焊接質量的主要因素，但是良好的施焊習慣能夠提升焊工個體的職業素養和建造場地的施工形象。在示例導管架建造中，組織建造參與各方成立聯合巡查小組對施焊焊工的焊接習慣進行檢查。

（1）焊工施焊時必須勞保齊全。

（2）焊工隨身攜帶經項目批準的焊工牌，顯示焊工的基本信息以及施焊資格和有效期，便于施工領班或者業主確認檢查。

（3）施焊時注意保護焊接材料。

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Welding quality control for deep water jacket

SUN Zhiguang
（Offshore Oil Engineering Co.，Ltd.，Tianjin 300452，China）

The offshore oil industry around the world has being rapidly developing in recent years.Comparing with inland steel structure, deep water jacket,as the structure of offshore oil engineering,has the worse service environment,the higher steel strength and more complex structure.So its welding quality requirements are more stringent.In this paper，the welding quality control for deep water jacket is discussed takinga jacket in the East China Sea as an instance.

deep water；jacket；welding quality；welding procedure；welding habit

TG405

B

1001－2303（2016）05－0123-05

10.7512/j.issn.1001-2303.2016.05.27

2015-08-10；

2015-09-16

孫志廣（1983—），男，遼寧喀左人，工程師，學士，主要從事海洋石油工程項目管理、焊接工藝研究等工作。